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Die
Erfindung betrifft eine Fügesonde
zum Befestigen von Bauelementen auf einer Hohlwelle nach dem Innenhochdruckfügeverfahren.
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Beim
Innenhochdruckfügen
(IHF) lassen sich auf rohrförmige
Bauelemente, wie Hohlwellen oder dergleichen als Innenteil, Naben,
z. B. Nocken oder andere dem Fügeverfahren
hinsichtlich ihrer Geometrie angepasste Bauelemente, als Außenteil aufbringen
und starr miteinander verbinden. Im ungefügten Zustand weisen die Fügeteile
zueinander noch ein gewisses Spiel auf, so dass deren Positionierung
in axialer und tangentialer Richtung in einfacher Weise erfolgen
und im Fertigungsergebnis eine lagegenaue und feste Fügeverbindung
erzielt werden kann. Zur Herstellung der Fügeverbindung bringt man in
die Hohlwelle ein mit Axial- und Radialbohrungen versehenes Fügewerkzeug
(Fügesonde)
ein und führt
anschließend über diese
Bohrungen ein mit externen Druckerzeugungsmitteln hergestelltes
Wirkfluid unter hohem Druck dem zu beaufschlagenden Fügebereich
von Innen- und Außenteil
zu. Bei druckfester Abdichtung des Fügebereichs wird infolge des dort
herrschenden hohen Druckes das zunächst noch vorhandene Spiel
zwischen der Hohlwelle als dem Innenteil und beispielsweise einer
Nabe als dem Außenteil
aufgehoben, indem durch Aufweitung der zwischen beiden Bauteilen
vorhandene Spalt überbrückt wird
und sich die Welle an die Innenkontur der Nabe anlegt. Bei geeigneter
Abstimmung der Streckgrenzen von Welle und Nabe erfolgt eine plastische Verformung
der Welle derart, dass diese auch nach Rücknahme des Fluiddruckes nicht
mehr in ihre Ausgangslage zurückfedert,
sondern mit der Nabe in einer festen, zumeist kraftschlüssigen Pressverbindung
verbleibt.
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Das
Innenhochdruckfügen
beschreibt beispielsweise die Druckschrift
DE 19802484 C2 , welche
als Anwendungsbeispiel ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von gebauten Nockenwellen anführt.
Der Aufbau des Innenhochdruckes erfolgt dabei gezielt im Fügebereich
einer Hohlwelle und von Nocken mittels einer Fügesonde mit Druckkanälen, welche
in entsprechend vorgewählter
Lage positioniert sind. Damit das Aufweiten der Bauteile nur abschnittsweise
und ausschließlich
innerhalb dieses Fügebereiches
erfolgt, sind zumeist beiderseitig des Bohraustrittes von Radialbohrungen
am Sondenumfang ringförmig
angeordnete Radialdichtungen vorgesehen, welche das Entstehen des
Innenhochdruckes ausschließlich
im Aufweitraum zwischen den axial beabstandeten Radialdichtungen
zulassen. Mit dem Verfahren nach
DE 19802484 C2 soll sich die mechanische
Beanspruchbarkeit der Hohlwelle-Nockenverbindung und damit deren
Betriebssicherheit selbst unter den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen
wesentlich verbessern lassen.
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Ein
weiteres Verfahren zum Fügen
von Bauteilen wird u. a. in
DE 102007036629 B3 vorgestellt, mit dem sich
zur erhöhten
Lastübertragungsfähigkeit Fügeverbindungen
von sowohl erhöhter
Drehmoment- als auch Axialkraftübertragungsfähigkeit
in einfacher und kostengünstiger
Weise herstellen lassen und bei dem die Teilefertigung unter den
Bedingungen einer erleichterten Entwurfsberechnung sowie einer eindeutigen
Vorhersagbarkeit des Bauteilverhaltens unter den jeweiligen Einsatzbedingungen
erfolgen kann. Das Fügen
der Bauteile wird hierbei unter der Verwendung von über den
Umfang des Außenteils
verteilt angeordneten Elementen vorgenommen, welche, am Außenteil
direkt anliegend, eine radiale Aufweitung partiell verhindern und
so eine kraft- und formschlüssige
Fügeverbindung
bewirken.
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Die
im Ergebnis auch als Welle-Nabe-Verbindung bekannten Verfahren zum
Innenhochdruckfügen
sind heute ein grundlegendes Element des Maschinenbaus und finden
zur Kraft- bzw. Leistungsübertragung
zwischen einem mechanischen Innen- und einem Außenteil eine millionenfache
Anwendung, insbesondere aber in der Antriebstechnik.
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Besteht
bei den ständig
steigenden Materialkosten im Maschinenbau im Allgemeinen eine zwingende
Notwendigkeit zu Materialeinsparungen, so ist es außerdem von
Vorteil, wenn der Materialeinsatz für bewegte Massen, z. B bei
Nockenelementen für die
Verwendung in Kraftfahrzeugen, gesenkt werden kann, weil sich dadurch
auch der Kraftstoffverbrauch verringern lässt.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Fügesonde zum hochgenauen Fügen eines
hohlzylindrischen Innenteiles, wie einer Hohlwelle, mit darauf aufgeschobenem
Außenteil,
beispielsweise Nocken oder Nabe, nach dem IHF-Verfahren zu schaffen,
mit der sich die bei bekannten und vergleichbaren technischen Lösungen die
zum Pressfugen bezüglich
des Außenteiles
erforderliche sondenseitige Mindestüberstandslänge der Hohlwelle vermeiden lässt. Beim
Einsatz konventioneller Fügesonden
war es zur Erlangung eines optimalen Fügeergebnisses bisher erforderlich,
die Welle über
den axialen Fügebereich
hinaus auf beiden Stirnseiten des zu verfügenden Außenteils auf wenigstens eine
Mindestüberstandslänge überstehen
zu lassen, um eine ausreichende Dichtigkeit der Fügeeinrichtung
beim Innenhochdruckfügen
zu gewährleisten.
Die Notwendigkeit zur Einhaltung dieser Mindestlänge des Wellenüberstandes
sowie der damit verbundene erhöhte
Materialaufwand sollen sich mit einer geeigneten Lösung für eine Fügesonde
vermeiden lassen.
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Erfindungsgemäß löst die Aufgabe
eine Fügesonde,
bestehend aus einem in die Hohlwelle einschiebbaren zylinderförmigen Sondengrundkörper, welcher
mit einem außerhalb
der Hohlwelle verbleibenden Sondenkopf verbunden ist, mit einem
axial in der Fügesonde
verlaufenden und mit einem Druckmittelerzeuger in Verbindung stehenden
Längskanal sowie
damit verbundenen druckmittelführenden
Radialkanälen
zum Aufweiten der Hohlwelle innerhalb des von den Radialkanälen beaufschlagten
Fügebereiches
der Hohlwelle und des damit in axialer Richtung bündig abschließenden Bauelementes
(Außenteil),
wobei die mit der sondenseitigen Stirnfläche des Bauelements fluchtende
Wellenendfläche
zusammen mit der an ihr anliegenden, flanschartig ausgebildeten
und eine umfänglich
verlaufende Ringdichtung aufweisenden Stirnfläche des Sondenkopfes unter
Anwendung einer axial gerichteten äußeren Haltekraft eine druckfest
abdichtende Verbindung ergeben.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung
mit zwei schematischen Zeichnungen näher erläutert werden.
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In
den Zeichnungen zeigen
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die 1 beispielhaft
und schematisch in Längsaxialschnitt
eine in die aufzuweitende Hohlwelle eingeführte erfindungsgemäße Fügesonde
ohne Überstandslänge der
Welle und
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die 2 in
vereinfachter Darstellung die einzelnen Phasen des Innenhochdruckfügens von Pressverbindungen.
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In 1 ist
zum Innenhochdruckfügen über eine
Hohlwelle 1 eine Nabe 2 als außenliegendes Bauelement geschoben.
Dabei befindet sich die auf der Hohlwelle starr zu befestigende
Nabe in einer solchen axialen Position, dass deren Stirnfläche 3 mit dem
Wellende fluchtet. Zum Aufweiten der Hohlwelle und damit der Herstellung
einer Fügeverbindung
zwischen dieser Welle und dem Nabenelement wird in die Hohlwelle 1 eine
Fügesonde 4 so
weit eingeführt, dass
die einen Anschlag bildende Stirnfläche 5 des flanschartig
ausgebildeten Sondenkopfes 11 der Fügesonde 4 sowie die
Wellenendfläche 6 zusammen mit
der Stirnfläche 3 der
Nabe 2 dicht aneinander liegen. Ein Wellenüberstand
kann mit einer derartigen Fügegeometrie
sondenseitig vermieden werden. Die Fügesonde 4 besitzt
einen mit dem hier nicht dargestellten Druckmittelerzeuger verbundenen
axialen Längskanal 7,
mit dem wiederum Radialbohrungen 8 verbunden sind. Über die
Radialbohrungen gelangt das unter hohem Druck stehende Wirkfluid
in den durch eine Dichtanordnung mit Dichtungen 9 und 10 axial
beidseitig begrenzten Fügebereich
innerhalb der Hohlwelle (externe Druckerzeugung). Dadurch werden
die Hohlwelle 1 und die in axialer Richtung bündig mit
ihr abschließende
Nabe 2 in dem durch die Dichtungen (9, 10)
festgelegten Bereich aufgeweitet und eine Pressverbindung zwischen
diesen beiden Bauelementen hergestellt. Die Dichtung 9 ist in
herkömmlicher
Weise ein vom Sondengrundkörper der
Fügesonde
(4) getragener und im Bereich innerhalb der Hohlwelle umlaufend
angeordneter Dichtkörper.
Die Dichtung 10 bildet ebenfalls eine Ringdichtung, welche
jedoch aus einem Dichtkörper
besteht, der in eine auf der hohlwellenseitigen Stirnfläche 5 des
Sondenkopfes (11) angeordnete, einen Ring bildende Nut
eingepresst ist. Die Ringdichtung ist dabei so positioniert, dass
diese nach Einführen der
Fügesonde
(4) direkt an der Wellenendfläche 6 anliegt. Stützt sich
also die Dichtung 9 radial an der Innenfläche der
Hohlwelle abdichtend ab, so wird die Dichtung 10 während des
Fügevorganges
durch die auf die Fügesonde
wirkende axiale Haltekraft FH gegen die
Stirnfläche 6 der
Hohlwelle gepresst und somit die Dichtigkeit im Fügebereich
gewährleistet.
Die einzusetzende Haltkraft FH ist von den
Geometriegrundbedingungen der Anordnung insgesamt und den Prozessparametern
beim Umformen, vor allem aber vom Fügedruck abhängig. Auch wird man die Dichtungen
(9, 10) im Allgemeinen den jeweiligen Fügebedingungen
anpassen.
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Die
einzelnen Phasen des Fügevorganges verdeutlicht
die 2. In der Phase 1 der Positionierung
der Hohlwelle 1 und Nabe 2 ist im noch ungefügten Zustand
ein radialer Spalt 12 zwi schen beiden Bauteilen vorhanden,
wodurch sich deren Positionierung zueinander einfacher gestaltet.
Im Aufweitvorgang gemäß Phase 2 wird
das durch den Spalt 12 hervorgerufene Spiel aufgehoben,
weil sich dann die Hohlwelle 1 unter der Wirkung des inzwischen
vorhandenen Innenhochdruckes plastisch verformt, radial aufweitet
und dabei gegen die Nabe 2 als Außenteil presst. Gleichzeitig
mit der Druckerhöhung
werden die Dichtungen verstärkt
an die Wellenend- bzw. die Innenfläche der Hohlwelle angepresst
und sorgen dadurch auch bei wachsendem Hochdruck für die Dichtigkeit
des Fügebereichs
im Umformungsprozess. Zwischen Hohlwelle und Nabe bildet sich ein Presssitz
aus. Die Phase 3 schließlich verdeutlicht den Vorgang
des Zurückfederns
der aus elastischem Material bestehenden Nabe bei Druckentspannung, wodurch
sich die im Ergebnis des Aufweitungsprozesses entstandene kraftschlüssige Verbindung
zwischen Nabe und Hohlwelle weiter stabilisiert. Weil bei diesem
Fügeprozess
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Fügesonde die Hohlwelle nicht
beiderseits über
die zu fügende
Nabe überstehen
muss, also auch keine Mindestabstandslänge einzuhalten ist, lassen
sich somit in vorteilhafter Weise durch den Einsatz der hier vorgestellten
Sonde beim Innenhochdruckfügen
sowohl Material als auch Bearbeitungszeit einsparen.